JPH033681A - 超音波モータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波モータ装置に関し、特に、単相電源によ
り駆動制御される超音波モーフ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、超音波振動を利用した超音波モータ装置としては
、弾性振動体に発生する振動の種類から分類すると、定
在波を用いる定在波型超音波モータ装置と進行波を用い
る進行波型超音波モータ装置との二つのタイプに大別さ
れる。

上記のもののうち定在波型超音波モータ装置としては、
単相電源により単一の屈曲定在波を弾性振動体に励振し
、運動抽出体を介してこの定在波の節に向かう駆動力を
利用する平板状の超音波モーフ装置が知られている（例
えば、本願と同一出願人の出願にかかる特願昭６２−１
３７３９５号参照）。

また、弾性振動体に縦振動（弾性振動体の長さ方向への
広がり振動）と弾性振動体のある一面に垂直な振動成分
をもつ固有振動との、二つの独立した振動モードを、夫
々別の電源（二相電源）で励振することにより、弾性振
動体の表面に楕円運動を生起し、この楕円運動を運動抽
出体に伝達し、駆動力として利用する平板状の超音波モ
ータ装置が知られている。この二相電源により駆動され
るタイプの平板状の超音波モータ装置１よ、時間的な位
相差をつけて二つの振動モードを励振することによって
、弾性振動体の表面に生起される楕円運動の回転方向を
切り換えることにより、運動抽出体の運動方向を正逆転
切り換えすることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の技術で述べたもののうち、単相電源により発生さ
れる単一の屈曲定在波を用いた平板状の超音波モータ装
置にあっては、構造は極めて簡潔であるが、同一の周波
数では弾性振動体に接触した運動抽出体の運動方向を逆
転できないという制御上の問題点を有していた。

また、二相電源駆動の平板状の超音波モータ装置は、２
種類の独立した振動モードを使用するため、夫々の振動
モードに対して励振源が必要となり、単相電源により駆
動される超音波モータ装置と比較すると、超音波モータ
装置本体および電源ともに複雑にならざるを得ないとい
う問題点を有していた。

本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、単相
電源の駆動により、運動抽出体の運動方向の正逆転コン
トロールを可能にするとともに、超音波モータ装置本体
および電源の構造を簡潔にした超音波モータ装置を提供
しようとするものである。

即ち、単相電源により駆動される超音波モータ装置の簡
潔さと、二相電源により駆動される超音波モーフ装置の
ような正逆転可能な制御性を兼ね備えてなる板状の超音
波モータ装置を、実現することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明における超音波モー
タ装置は、厚さ方向に分極された一対の板状の圧電振動
子と、特定周波数の交番電流の印加によってこの圧電振
動子に（ｎ４１／２）（ｎ：任意の正の整数）波長の縦
波および所定波長の屈曲波を発生させる電極子と、屈曲
波の振動方向に垂直な圧電振動子の少なくとも一方の面
に直接的あるいは間接的に接触している運動抽出体とを
有し、圧電振動子は縦波および屈曲波の各々の共振周波
数が一致する長さおよび厚さをもって形成され、電極子
は、一対の圧電振動子間に配置された共通電極と、圧電
振動子の共通電極配置面に対向する面に配設された一対
の電極からなり、一対の電極は圧電振動子の長手軸中点
に発生する縦波の節に対応した位置に設けられてなるも
のである。

〔作用〕

板状の弾性振動体の縦振動（広がり方向振動）の共振周
波数と、弾性振動体の面に垂直方向の振動成分（屈曲振
動）をもつ固有振動モードの共振周波数とが一致してい
る場合、縦振動を励振すると、弾性振動体の面に垂直方
向の振動成分をもつ固有振動も励振され、これら二つの
振動が結合することが一般に知られている。

即ち、板状の弾性振動体が理想的な平面な場合には、縦
振動と、この縦振動に対し垂直方向の振動成分をもつ固
有振動モードという、互いに独立な振動モード間におい
ては結合を生じない。しかしながら、現実の弾性振動体
は縦振動に水平な面に関して非対称性を有しており、こ
の非対称性により、縦振動を励振すれば、縦振動に対し
垂直方向の振動成分をもつ固有振動が励振され、これら
は容易に結合するものであることが知られている。

本発明による超音波モータ装置は、上記作用を利用した
ものであり、一対の圧電振動子のうちいずれか一方を励
振することにより、圧電振動子の非対称性を制御すると
ともに、圧電振動子に縦振動を励振する。この縦振動に
より、屈曲振動が励振され、これら二つの振動が結合さ
れることにより、圧電振動子の表面に楕円運動が生起さ
れる。この楕円運動が、運動抽出体に伝達され、運動抽
出体が一定方向に駆動される。

一対の圧電振動子のうち、いずれか一方を選択的に励振
することにより、圧電振動子に発生する縦振動と屈曲振
動との結合の位相が変化し、運動抽出体の駆動方向コン
トロールが行われる。

即ち、板状の圧電振動子の励振位置を切り換えることに
よって、縦振動と屈曲振動との結合位相に１８０度の位
相差を生じさせ、圧電振動子表面に生じる楕円運動の回
転方向を正逆転するように切り換えることができる。

〔本発明の原理〕

単なる屈曲振動の場合、第１１図に示すように、両端を
開放とすれば振動の節は板状の振動体１００の中心に関
し対称に分布し、各点にはすぐ近くの節に向かう矢印方
向の駆動力が発生する。

従っ°Ｃ駆動力は中心に関し対称に分布し、励振源の位
置には無関係となる。

一方、縦振動と屈曲振動とが結合した振動の場合、振動
体の両端を開放とすると屈曲振動は中心に関し対称と考
えられるから、縦振動が対称な場合と反対称の場合の二
通りが考えられる。

第１２図（ａ）（ｂ）において、Ｘ方向（広がり方向）
の変位をｘ、ｙ方向（面に直角方向）の変位をＹとする
と上記二つの場合はそれぞれ次式のように表される。

（１）　　Ｘ＝ａ　　ｃｏｓ（ｋｌｘ）　　ｃｏｓ（ｗ
ｔ）、　　　　Ｙ＝ｂ　　ｃｏｓ（ｋ２ｘ）　　ｓｉｎ
（ｗｔ＋ｄ）（２）　Ｘ＝ａ　５ｉｎ（ｋｌｘ）　ｃｏ
ｓ（ｗｔ）、　　Ｙ＝ｂ　ｃｏｓ（ｋ２ｘ）　ｓｉｎ（
ｗｔ＋ｄ）（ｋｌ：縦波の波数　ｋ２：屈曲波の波数　
Ｗ：角周波数）（１）式の縦波が対称な場合、板状振動
体上Ｘの点と−Ｘの点とは同方向回転の楕円振動を行う
ことがわかる。即ち、上記の単なる屈曲振動の場合と異
なり、Ｘの点と−Ｘの点とに同方向の駆動力を発生する
ことが可能である。

（２）式の縦振動が反対称な場合、平板上Ｘの点と−ｘ
の点とは逆回りの楕円振動を行い、駆動力は逆向きとな
る。

°よた（１）式、（２）式とも各点は楕円振動なので、
板状振動体１００の表と裏とは互いに逆向きの駆動力と
なり、この点も単なる屈曲振動の場合と異なる所である
。

以上の事柄から、単相電源により駆動される正逆転可能
な超音波モータ装置を次の様に構成することができる。

■　Ｘと一×の点の駆動力が同方向の場合（第１２図（
ａ）） 縦波が振動体１００に１波長のっているとして、その励
振には例えば第１２図（ａ）のように縦波の節の位置に
励振源Ａ、　Ｂを配置する。励振源Ａによって第１２図
（ａ）の駆動力が得られたとする。次に励振Ｒ已による
励振の場合を考えると、これは励振源Ａの励振の場合を
中心線０に関し１８０°回転させた場合にほかならず、
励振源Ｂの励振によって第１２図（ａ）とは逆向きの駆
動力が得られることがわかる。

即ち振動体１００の長さが縦波の波長の整数倍のとき、
振動体１００の同一面上中心対称の位置に縦波の励振源
を設置すれば、それらを片方ずつ選択的に駆動すること
により振動体に発生する縦振動と屈曲振動との結合位相
をコントロールして、駆動力の正逆転のコントロールが
できることになる。

■　Ｘと−Ｘの点の駆動力が逆方向のとき（第１２図ら
）） この場合は第１２図ら）に示すような構成で正逆転のコ
ントロールが可能となる。即ち、縦波が振動体１００に
１．５波長のっているとして、その励振には例えば第１
２図（ｂ）のように中心線０より左側に発生する縦波の
節の位置に励振源Ａを配置し、励振源Ａと対向する面で
中心線Ｏより右側に発生する縦波の節の位置に励振源Ｂ
を配置する。励振源Ａによって第１２図（ｂ）の駆動力
が得られたとする。次に励振源Ｂによる励振の場合を考
えると、これは励振源への励振の場合と縦波の位相は同
相だが、屈曲波成分の位相が１８０°異なるため、励振
源Ｂの励振によって第１２図（６）とは逆向きの駆動力
が得られる。

つまり、振動体１００の長さが縦波の波長の（ｎ＋′Ａ
）倍（ｎ；任意の正の整数）のときには、振動体１００
０対向する面に夫々縦波の励振源を設置すれば、それら
を片方ずつ選択的に駆動することにより、振動体に発生
する縦振動と屈曲振動との結合位相をコントロールして
、駆動力の正逆転のコントロールができることになる。

ここにおいて、縦振動に結合させる面に直角な振動成分
をもった振動モードを屈曲振動とすると、縦波１波長に
屈曲波を結合させるためには板状の振動体の寸法を次式
のようにとれば良い。

即ち、 ｔ；板の厚さ ！；板の長さ αは、 ５ｉｎ（α／２）　ｃｏｓｈ　（α／２）→−ｃｏｓ（
α／２）ｓｉｎｈ（α／２）　＝０の根であり、小さい
方から対称屈曲振動の共振モードの次数に対応している
。

共振周波数ｆｔは、 Ｅ：ヤング率 ρ：密度 で与えられる。

さらにまた、上記■の場合においては、第１２図（ハ）
に示したものの他に、本発明による構成により、弾性振
動体の非対称性をコントロールすることができる。即ち
、第１図に示すように一対の圧電振動子１０ａ、１０ｂ
の長手軸中点に発生する縦波の節の位置の対向する面に
夫々、電極１２ａ、１２ｂを接着すれば良い。

一対の電圧振動子１０ａ、１０ｂの対向する面に設けら
れた各電極１２ａ、　１２ｂのいずれか一方に交番電流
を印加して、各圧電振動子１０ａ、１０ｂのいずれか一
方を励振することにより、圧電振動子１０ａ。

１０ｂの非対称性を制御し、これにより、各圧電振動子
１０ａ、１０ｂによって発生する屈曲波は位相が１８０
°異なるようになる。

つまり、第１の電極１２ａ１ごより圧電振動子１０ａを
励振すると、この部分の非対称性により、わずかに屈曲
振動成分が生じてくる。−たび屈曲振動成分が生ずれば
、一対の圧電振動子１０ａ、１０ｂは非対称なものと考
えられ、縦振動と屈曲振動との結合が生ずる。

また、第２の電極１２ｂにより圧電振動子１０ｂを励振
した場合を考えると、縦波の位相は同相だが、屈曲波成
分の生ずる状況は圧電振動子１０ａを励振した場合より
位相が１８０゛異なっている。従って、縦振動と屈曲振
動との結合は圧電振動子１０ａの励振時に対し１８０°
位相が異なるものとなり、楕円運動の方向は逆転する。

つまり、第１図の場合は縦波を２波長としているため、
圧電振動子１０ａ、１０ｂによって同相（同一方向の変
形に対し同相の縦波）の縦波が発生するが、結合する屈
曲波の位相が１８０°異なるものである。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明による超音波モータ装置を
詳細に説明する。

第１図及び第２図は、本発明による超音波モータ装置の
一実施例を示し、１対の圧電セラミックよりなる圧電振
動子１０ａ、１０ｂの間に共通電極１２Ｃが、サンドイ
ッチ構造状に配設されている。圧電振動子１０ａの共通
電極１２Ｃと対向する面には、第１の電極１２ａが配設
され、圧電振動子ＩＱｂの共通電極１２Ｃと対向する面
には、第２の電極１２ｂが配設されている。第１の電極
１２ａ及び第２の電極１２ｂは、夫々線路１４ａ、１４
ｂによりスイッチ機構１６の端子１６ａ、１６ｂに接続
されている。共通電極１２Ｃは、線路１４Ｃにより単相
電源１８に接続されており、さらに単相電源１８は、線
路１４ｄにより、スイッチ機構１６のスイッチ１６Ｃに
接続されている。

スイッチ機構１６はスイッチ１６ｃを端子１６ａあるい
は端子１６ｂに切り換えることにより、選択的に圧電振
動子１０ａあるいは圧電振動子１０ｂを励振することが
できる。

また、圧電振動子１０ａ上には、圧電振動子１０ａと直
接的に接触するように運動抽出体２０が配設されている
。

圧電振動子１０ａ、１０ｂは、単相電源１８によって励
振される縦波と、この縦波によって生じる屈曲波の共振
周波数が一致する長さおよび厚さを有するように形成さ
れている。

第１の電極１２ａ、第２の電極１２ｂは、圧電振動子ｔ
ｏａ、１ｏｂの長手軸中点に発生する縦波の節が、各電
極１２ａ、１２ｂの長さ方向の略中夫に位置するように
、各圧電振動子１０ａ、、　１０ｂ上に配設されている
。

単相電源１８は、スイッチ１６ｃの切り換えにより、第
１の電極１２ａ、第２の電極１２ｂ及び共通電極１２Ｃ
に、特定周波数の交番電流を印加するものであって、こ
れにより、圧電振動子１０ａ、１０ｂのいずれか一方に
、（ｎ＋１／２）（ｎ；任意の正の整数）波長の縦波と
、これによって生ずる所定波長の屈曲波を、選択的に発
生させるものである。

運動抽出体２０は、圧電振動子１０ａ上で任意の手段に
より位置決めされ、かつ圧電振動子１０ａに任意の加圧
手段により加圧された、任意の方向に回転自在のローラ
状体とされている。

次に、上記構成を有する超音波モータ装置の作用につい
て説明する。

第３図は、２波長の縦波と、１波長の屈曲波とが発生さ
れる場合を示しており、スイッチ１６ｃを切り換えて圧
電振動子１０ａ、あるいは圧電振動子１０ｂを励振する
ことによって、これらの励振により同相の縦波（同一方
向の変形に対し、同相の縦波）が発生することになるが
、圧電振動子１０ａ。

１０ｂのどちらを励振するかによって、結合する屈曲波
の位相が１８０°異なるものとなる。このため圧電振動
子１０ａ、１０ｂを選択的に励振することにより、圧電
振動子１０ａ、１０ｂ表面に生起される楕円振動の運動
方向が変化し、運動抽出体２０へ取り出される運動の方
向性を第１図及び第２図上実線矢印及び破線矢印で示す
ように正逆転することが可能となる。従って、運動抽出
体２０上にカード状体紙葉類等の搬送物を接触させれば
、スイッチ１６Ｃの切り換えにより、搬送物を任意の方
向に移送できる。

また、第４図乃至第６図は、夫々第４図が２波長の縦波
と２波長の屈曲波の結合の場合を示し、第５図は１，５
波長の縦波と１波長の屈曲波の結合の場合を示し、第６
図は１．５波長の縦波と２波長の屈曲波の結合の場合を
示す各実施例である。これらのものにあっては、いずれ
も縦波の節の部分は、電極の略中心に位置するようにな
されている。

第７図（ａ）（ｂ）に示す実施例は、厚みのあるカード
状体２２を移送する状態を示しており、図示しないベー
ス部材に垂設されたアーム５０に運動抽出体２０が回動
自在に軸支されている。この運動抽出体２０は、アーム
５０の運動抽出体２０上方部位に回転自在に軸支される
とともに、図示しない加圧手段により運動抽出体２０方
向に加圧されている加圧用ローラ５２により、カード状
体２２を介して圧電振動子１０ａ上に押圧されている。

この実施例においても、圧電振動子１０ａ、’１０ｂを
適宜励振することにより、第７図（ａ）（ｂ）上実線矢
印方向あるいは破線矢印方向へカード状体２２を移送す
ることができる。

さらに、第８図（ａ）（ｂ）に示す実施例は、カード状
体２２ａ、　２２ｂを移送する状態を示しており、特に
第８図ら）は、加圧手段として加圧用ローラ５４を使用
した場合を示している。この実施例においても、運動抽
出体２０ａ、２０ｂ、加圧用ローラ５４は、所定のアー
ムにより支持されてよいこと勿論である。

第８図（ａ）（ｂ）においては、圧電振動子１０ａの同
一面に、第１の電極１２ａをはさんで夫々配置された運
動抽出体２０ａ、　２０ｂにより２条のカード状体２２
ａ、２０ｂを夫々逆方向に移送する場合を示している。

勿論運動抽出体２０ａ、　２０ｂのどちらか一方のみを
設けて、どちらか一方のカード状体２０ａ、　２０ｂを
移送することができる。

さらにまた、第９図は、アーム５０により回転自在に軸
支されるとともに、図示しない加圧手段によって圧電振
動子１０ａ上に加圧されている運動抽出体２０と、圧電
振動子１０ａとの間に薄い紙葉類２４を加圧保持し、こ
の紙葉類２４を第９図上実線矢印方向あるいは破線矢印
方向に移送する状態を示している。即ち、本実施例にあ
っては、圧電振動子１０ａと運動抽出体２０とは、紙葉
類２４を介して、間接的に接触することになる。紙葉類
２４の厚さが極めて薄い場合には、紙葉類２４を介して
圧電振動子１０２表面に生起した楕円運動が、運動抽出
体２０に取り出される。紙葉類２４は、運動抽出体２０
の運動方向に応じて、移送されることになる。

また、第１０図（ａ）（５）は、運動抽出体の変形例を
示しており、このものは回転性を有しない突起状の運動
抽出体２００とされている。第１０図（ａ）は、第１図
に対応し、第１０図（ｂ）は第９図に夫々対応する運動
抽出体の変形例である。このものにあっても、上記各実
施例と同様に運動抽出体２００に圧電振動子１０ａ表面
上に生起された楕円振動がとりだされ、上記各実施例と
同様な効果を得ることができる。

なお、特に図示はしないが、運動抽出体の形状は上記各
実施例において説明したものに限られるものではなく、
半球状体等であってもよいこと勿論であり、弾性振動体
表面上に生起された楕円振動をとりだせる形状であれば
良い。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように構成されているので、以下
に記載されるような効果を奏する。

振動子に加える電流が単相でよく、振動子の駆動回路が
簡単な超音波モータ装置を提供することができる。

また、一対の振動子のうちのいずれか一方に特定周波数
の交番電流を切り替えて印加することにより、運動抽出
体の運動方向を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略側面図、第２図は
第１図に示すものの斜視図、第３図乃至第６図は本発明
による縦波と屈曲波との結合状態を示す説明図、第７図
（ａ）（ｂ）は他の実施例を示し、第７図（ａ）は概略
斜視図、第７図（ハ）は第７図（ａ）の側面図、第８図
（ａ）（ｂ）は２条のカード状体を夫々別方向へ移送す
る実施例を示し、第８図（ａ）は加圧手段を特に図示し
ない概ｍ；１斜視図、第８図（ｂ）は加圧手段として加
圧用ローラを用いた場合を示す概略斜視図、第９図は圧
電振動子と運動抽出体との間に挟持された紙葉類を搬送
する場合の実施例を示す側面図、第１０図（ａ）（ハ）
は夫々運動抽出体の変形例を示す側面図、第１１図は屈
曲波による駆動方向を示す説明図、第１２図榊←は縦振
動と屈曲振動との結合振動による駆動方向を示す説明図
である。 １０ａ・・・圧電振動子 １２ａ・・・第１の電極 １４ａ・・・線路 １４Ｃ・・・線路 １６・・・スイッチ機構 符号の説明 １０ｂ・・・圧電振動子 １２ｂ・・・第２の電極 １４ｂ・・・線路 １４ｄ・・・線路 １６ａ・・・端子　　　　　　１６ｂ・・・端子１６Ｇ
・・・スイッチ　　　　１８・・・単相電源２０．２０
ａ、２０ｂ・・・運動抽出体２０．２２　ａ　、　２２
　ｂ−・・カード状体２４・・・紙葉類 ５０・・・アーム １００・・・振動体 Ｂ・・・励振源 ５２．５４・・・加圧用ローラ ２００・・・運動抽出体 Ａ・・・励振源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、厚さ方向に分極された一対の板状の圧電振動子と、 特定周波数の交番電流の印加によって前記圧電振動子に
   （ｎ＋１／２）（ｎ；任意の正の整数）波長の縦波およ
   び所定波長の屈曲波を発生させる電極子と、 前記屈曲波の振動方向に垂直な前記圧電振動子の少なく
   とも一方の面に接触している運動抽出体とを有し、 前記圧電振動子は前記縦波および前記屈曲波の各々の共
   振周波数が一致する長さおよび厚さをもって形成され、 前記電極子は、前記一対の圧電振動子間に配置された共
   通電極と、前記圧電振動子の前記共通電極配置面に対向
   する面に配設された一対の電極からなり、 前記一対の電極は前記圧電振動子の長手軸中点に発生す
   る前記縦波の節に対応した位置に設けられたことを特徴
   とする超音波モータ装置。 ２、前記一対の電極のうちのいずれか一方に前記特定周
   波数の交番電流を切り替えて印加するスイッチング手段
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ
   装置。